نمودار سایکومتریک، ارتباط میان هوای خشک، رطوبت و انرژی

نمودار سایکرومتریک ارتباط میان هوای خشک، رطوبت و انرژی را بیان می‌کند و کاربرد زیادی در صنایع وابسته به تهویه مطبوع مانند تهویه مطبوع ساختمان‌ها و تعیین دمای نقطه شبنم دارد. در ابتدا کار با این نمودار ممکن است سخت و پیچیده به نظر برسد ولی زمانی که با ارتباط میان اجزای مختلف آن آشنا می‌شوید، متوجه خواهید شد که کار با این نمودار و فهم آن بسیار ساده است.

این مطلب به صورت دقیق به مطالعه نمودار سایکرومتریک می‌پردازد و همچنین مفاهیم و روابط اجزای مختلف آن را در قالب فرایندهای رایج موجود در تهویه مطبوع مورد مطالعه قرار می‌دهد. توجه کنید که هفت فرایند در کاربردهای مختلف تهویه مطبوع مانند تهویه مطبوع ساختمان‌ها و اتاق‌های تمیز بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند که این هفت فرایند شامل فرایندهای گرمایش، سرمایش، رطوبت گیری، رطوبت زنی، تهویه، پاک‌سازی و جابه‌جایی هوا، هستند.

طراحی نمودار سایکرومتریک

نمودار سایکرومتریک با استفاده از دو مفهوم بسیار ساده ساخته شده است. مفهوم اول بیان می‌کند که هوای داخل یک اتاق، ترکیبی از هوای خشک و بخار آب است. مفهوم دوم نیز بیان می‌کند که ترکیب بیان شده مقدار مشخصی انرژی دارد که این مقدار انرژی به دما و فشار مشخصه آن بستگی دارد.

مفهوم اول در نمودار سایکرومتریک: هوای داخل، ترکیبی از هوای خشک و بخار آب است

توجه کنید که بخار آب موجود در هوا را در کاربردهای مختلف تهویه مطبوع Moisture یا Humidity می‌نامند. همچنین مقدار بخار آب موجود در هوا را بر اساس نسبت جرم بخار آب بر جرم هوای خشک بیان می‌کنند. این پارامتر را «نسبت رطوبت» (Humidity Ratio) می‌نامند که با نماد W نمایش داده می‌شود.

نکته مهم دیگری که باید به آن اشاره کرد این است که خواص هوای مرطوب با فشار و ارتفاع، تغییر می‌کند. بنابراین نمودار سایکرومتریک معمولا بر اساس فشار استاندارد در سطح دریا رسم می‌گردد. بر این اساس در قسمت‌های باقی مانده این مبحث، فشار به صورت ثابت در نظر گرفته می‌شود. نکته مهم دیگر این است که برای بیان ارتباط میان بخار آب، هوا و دما، دو حالت مختلف را در نظر می‌گیریم که این دو حالت در ادامه مطلب مورد بررسی قرار گرفته‌اند.

حالت اول: دما ثابت باقی می‌ماند ولی مقدار بخار آب در حال تغییر است

اگر دما ثابت باقی بماند، با افزایش مقدار بخار آب موجود در هوا، «رطوبت» (Humidity) نیز افزایش می‌یابد. نکته دیگری که باید به آن توجه کرد این است که در هر دمای مشخص، یک مقدار بیشینه برای بخار آب موجود در هوا قابل تعیین است و به نقطه‌ای که این مقدار بیشینه در آن حضور دارد، نقطه اشباع می‌گویند.

در واقع زمانی که بعد از نقطه اشباع، بخار آب بیشتری به هوا اضافه شود، مقداری برابر با همان مقدار اضافه شده، به شکل قطرات مایع یا کریستال یخ شکل می‌گیرد. در هوای بیرون این قطرات مایع را به شکل مه، ابر و باران مشاهده می‌کنیم و کریستال‌های یخ را به شکل برف یا تگرگ می‌توان مشاهده کرد.

نکته مهمی که باید به آن اشاره کرد این است که نمودار سایکرومتریک تنها در شرایطی قبل از نقطه اشباع کاربرد دارد. در واقع این نمودار به بررسی آب در فاز بخار می‌پردازد و قطرات مایع یا کریستال یخ را مورد مطالعه قرار نمی‌دهد.

حالت دوم: دما در حال تغییر است ولی مقدار بخار آب ثابت باقی می‌ماند

اگر دمای هوا کاهش پیدا کند، به «خط اشباع» (Saturation Line) می‌رسد و اگر باز هم این کاهش ادامه داشته باشد، «شبنم» (Dew) شکل می‌گیرد. برای مثال، اگر یک ظرف نوشیدنی را از یخچال بیرون بیاورید و برای چند دقیقه بیرون از یخچال قرار دهید، ظرف آن مرطوب می‌شود. دلیل این موضوع این است که هوای مرطوب در تماس با ظرف سرد قرار می‌گیرد و این ظرف سرد، هوایی که با آن در تماس است را تا دمایی پایین‌تر از دمای اشباع سرد می‌کند و در نتیجه شبنم شکل می‌گیرد. این موضوع در شکل زیر به خوبی به تصویر کشیده شده است.

تشکیل قطرات آب روی سطح یک ظرف سرد

رطوبت نسبی

در قسمت قبل مفهوم «نسبت رطوبت» (Humidity Ratio) بیان شد. همانطور که اشاره شد، نسبت جرم بخار آب بر جرم هوای خشک را نسبت رطوبت می‌نامند. در این قسمت برای روشن شدن مفهوم «رطوبت نسبی» (Relative Humidity)، ابتدا نمودار مربوط به ماکزیمم مقدار بخار آب در واحد جرم هوا را نسبت به دمای هوا رسم می‌کنیم. محور x این نمودار، دما را نشان می‌دهد و محور ‌‌Y آن نشان دهنده نسبت جرم بخار آب به جرم هوای خشک است.

خط اشباع یا رطوبت نسبی 100٪

همانطور که اشاره شد، منحنی نشان داده شده در شکل بالا، خط ماکزیمم بخار آب است که با عنوان «خط اشباع» (Saturation Line) یا رطوبت نسبی 100٪ شناخته می‌شود. رطوبت نسبی 100% را با نماد 100% rh نیز نمایش می‌دهند. در واقع هر نقطه موجود در خط اشباع، نشان دهنده ماکزیمم مقدار ممکن بخار آب موجود در هوای خشک و در یک دمای مشخص است.

حالت دیگری را در نظر بگیرید که در این حالت، حجم هوا تغییر نکند و در این حجم هوا و دمای معین، وزن بخار آب موجود نصف شود. این حالت را رطوبت نسبی 50٪ می‌نامند و در شکل زیر، خط مربوط به این حالت نشان داده شده است. هوا در هر نقطه از خط 50٪ رطوبت نسبی، نصف مقدار ماکزیمم بخار آب ممکن در دما و حجم مشخص را دارد.

 رطوبت نسبی 50٪ و 100٪ در نمودار سایکرومتریک

مفهوم دوم در نمودار سایکرومتریک: مخلوط هوا در دما و فشار معین، مقدار مشخصی انرژی دارد

در این قسمت، دومین مفهومی که نمودارهای سایکرومتریک به بیان آن می‌پردازند، مورد مطالعه قرار گرفته است. همانطور که می‌دانیم در یک دمای معین، مقدار انرژی مشخصی در مخلوط هوا و بخار آب موجود است و این انرژی به دو عامل بستگی دارد. عامل اول، دمای هوا است و عامل دوم نسبت بخار آب موجود در هوا در نظر گرفته می‌شود.

در واقع همانطور که بیان شد، هوا با دمای بالاتر، انرژی بیشتری دارد. اضافه کردن گرما برای افزایش دما را «گرمای محسوس» (Sensible Heat) می‌نامند. در حالت دیگر، توجه کنید که وقتی بخار آب بیشتری در هوا است، انرژی بیشتری نیز موجود است. در این حالت، انرژی که بخار آب در بر می‌گیرد را می‌توان «گرمای نهان» (Latent Heat) نامید.

اندازه انرژی کل که برابر با مجموع گرمای محسوس موجود در هوا و گرمای نهان موجود در بخار آب است را به صورت رایج، «آنتالپی» (Enthalpy) می‌نامند. با افزودن انرژی به مخلوط هوا و بخار آب، آنتالپی نیز افزایش می‌یابد. این افزایش آنتالپی می‌تواند با اضافه کردن یک و یا هر دو شرط زیر به وقوع بپیوندد.

شرط اول این است که گرمای محسوس به هوا اضافه شود. شرط دوم نیز این است که بخار آب بیشتری به مخلوط اضافه شود و در نتیجه گرمای نهان مخلوط افزایش می‌یابد.

در نمودار سایکرومتریک، خطوط آنتالپی ثابت، شیب دارند. این خطوط با عنوان آنتالپی یا Enthalpy در نمودار سایکرومتریک مشاهده می‌شوند. این موضوع در شکل زیر به خوبی به تصویر کشیده شده است.

توجه کنید که آنتالپی صفر، یک مقدار دلخواه است. در ادامه برخی از فرایندها در نمودار سایکرومتریک مورد مطالعه قرار می‌گیرد.

گرمایش

فرایند گرمایش، شامل افزودن گرمای محسوس به سیستم است. برای بررسی دقیق این موضوع به شکل زیر توجه کنید.

در این شکل هوای بیرون با دمای 47 درجه فارنهایت و رطوبت نسبی در حدود rh 90% موجود است. در این شرایط ما یک ساختمان با سیستم تهویه مطبوع داریم که به هوا تا دمای 70 درجه فارنهایت گرما می‌دهد. در این حالت هیچ تغییری در مقدار بخار آب موجود در هوا ایجاد نمی‌شود. بنابراین همانطور که در شکل بالا مشاهده می‌شود، آنتالپی از مقداری در حدود 18Btu/lb به مقداری در  حدود 24Btu/lb رسیده است.

توجه کنید که در این حالت، خطی که فرایند در طول آن انجام می‌شود، به صورت یک خط افقی است. دلیل این موضوع این است که هیچ بخار آبی به هوا اضافه نشده و از آن نیز کم نشده است و ما تنها مخلوط را حرارت دادیم. نکته دیگری که باید به آن توجه کنید این است که در این شرایط، رطوبت نسبی از90%rh به 36%rh رسیده است.

افزایش رطوبت (رطوبت زنی)

افزودن بخار آب به هوا، فرایندی است که به آن رطوبت زنی یا افزایش رطوبت می‌گویند. در واقع فرایند رطوبت زنی زمانی اتفاق می‌افتد که آب، انرژی جذب می‌کند و در نهایت طی فرایند تبخیر، تبدیل به بخار آب می‌شود. به انرژی که در این حالت، آب جذب می‌کند، گرمای نهان گفته می‌شود. مفهوم گرمای نهان در بخش قبل به خوبی مورد بررسی قرار گرفت.

نکته بسیار مهمی که باید به آن توجه کنید این است که دو روش برای انجام فرایند رطوبت زنی وجود دارد و در هر دو روش، انرژی برای انجام فرایند تبخیر به آب داده می‌شود.

گرما به آب داده می‌شود

زمانی که انرژی گرمایی به آب اضافه می‌شود، آب به حالت گاز و بخار تغییر شکل می‌دهد و با هوا ترکیب می‌شود. خط 2-1 در شکل زیر، این فرایند را به تصویر کشده است.

همانطور که مشاهده می‌شود، مقدار افزایش آنتالپی در طول فرایند 2-1 برابر با 3.5Btu/lb است و با انتقال این مقدار انرژی به آب، بخار تولید می‌شود و این بخار در نهایت با هوا ترکیب می‌شود.

یکی از نکات مهم در دستگاه‌های «رطوبت زن به روش بخار» (Steam Humidifiers)، این است که بخار اضافه شده به هوا، اندکی از هوا داغ‌تر است و در نتیجه مقداری حرارت نیز به هوا داده می‌شود. بنابراین در این فرایند با افزایش بخار آب به هوا، گرما به هوا داده می‌شود و فرایند رطوبت زنی نیز انجام می‌شود. این فرایند که به صورت ترکیبی از حرارت و رطوبت زنی است را در شکل بالا با فرایند نقطه چین نشان دادیم.

آب تبخیر می‌شود

در این فرایند، با اسپری کردن قطرات آب و بسیار ریز به هوا، آب می‌تواند تبخیر شود. در این حالت، قطرات ریز آب، گرما را از هوا دریافت می‌کنند و به بخار تبدیل می‌شوند.

در یک دستگاه «رطوبت زن تبخیری» (Evaporative Humidifier)، گرما از هوا به آب تبخیر شونده منتقل می‌شود و این گرما، گرمای نهان مورد نیاز برای انجام فرایند تبخیر را فراهم می‌کند. در نتیجه انجام این فرایند رطوبت زنی، دمای هوا کاهش می‌یابد. همانطور که اشاره شد، این فرایند بدون افزایش یا حذف انرژی خارجی اتفاق افتاده است. بنابراین می‌توان این فرایند را، به عنوان یک فرایند آدیاباتیک معرفی کرد.

بنابراین همانطور که اشاره شد، با افزودن رطوبت به وسیله فرایند تبخیر، انرژی کلی مجموعه تغییر نمی‌کند و هیچ انرژی خارجی به سیستم اضافه یا از آن کم نمی‌شود. بنابراین این فرایند در طول یک خط آنتالپی ثابت به وقوع می‌پیوندد. برای درک دقیق این موضوع به شکل زیر دقت کنید.

در نقطه 1، رطوبت موجود شروع به تبخیر شدن می‌کند و دمای هوا از 70 درجه فارنهایت در نقطه ۱ به 56 درجه فارنهایت در نقطه 2 می‌رسد. نکته دیگر این است که در طول این فرایند تبخیر، رطوبت نسبی از مقداری در حدود 20% به 65% رسیده است و در صورتی که هدف نهایی ما این باشد که به دمایی برابر با 70 درجه فارنهایت و رطوبت نسبی 40% برسیم، باید هوای رطوبت زنی شده را حرارت دهیم تا از نقطه ۲ به نقطه ۳ برسید.

فرایند ذکر شده، نیاز به 3.5Btu/lb گرما دارد که این مقدار گرما همان مقداری است که در شکل قبل و برای حالت رطوبت زنی به کمک گرمایش بیان کردیم.

بنابراین به صورت خلاصه می‌توان بیان کرد که فرایند رطوبت زنی به دو صورت انجام می‌شود. در حالت اول ما می‌توانیم به با افزودن گرما به آب، آن را تبدیل به بخار کنیم و بخار حاصل را با هوا ترکیب کنیم. در حالت دوم نیز ما می‌توانیم رطوبت و قطرات آب را به ذرات ریز تبدیل کنیم که در هوا تبخیر شوند و در نهایت به هوای مرطوب شده حرارت دهیم. نکته مهم این است که در هر دو حالت گرمای داده شده به مجموعه یکسان است و خروجی تولید شده نیز یکسان خواهد بود. این موضوع در مثال بالا نیز نشان داده شد.

علاوه بر موارد ذکر شده، ما می‌توانیم به کمک فرایند آدیاباتیک توضیح داده شده یعنی تبخیر و رطوبت زنی، دمای هوای موجود در یک ساختمان که در شهر با آب و هوای خشک قرار دارد را بدون استفاده از هیچ سیستم خنک کننده کاهش دهیم.

خنک کردن و رطوبت گیری

خنک‌کاری معمولا در سیستم‌های تهویه مطبوع به وقوع می‌پیوندد. در واقع این مفهوم با عبور هوای مرطوب از روی «کویل خنک کننده» (Cooling Coil) دیده می‌شود. همانطور که در شکل زیر مشاهده می‌شود، کویل از یک لوله بلند مارپیچ تشکیل شده که در آن، آب یا مایع خنک در حال جریان است. این سیال خنک می‌تواند آب خنک با دمایی در حدود 40 درجه فارنهایت و 45 درجه فارنهایت یا یک مبرد را شامل شود.

نکته مهم دیگری که باید به آن اشاره کرد این است که این لوله با استفاده از پره و فین‌هایی محصور شده است. این فین‌ها انتقال حرارت بین هوا و سیال خنک درون لوله را افزایش می‌دهد. توجه کنید که شیوه طراحی این کویل در شکل بالا، به دمای مورد نیاز، میزان رطوبت حذف شده بستگی دارد و می‌تواند ۲ تا ۸ ردیف لوله وجود داشته باشد. توجه کنید که در حالت کلی، هرچه تعداد این لوله‌ها بیشتر باشد، توانایی حذف رطوبت نیز در کویل افزایش می‌یابد.

سیستمی که در این قسمت مورد مطالعه قرار گرفته است، می‌تواند دو نتیجه را در پی داشته باشد. نتیجه اول این است که کویل خنک کننده، هوای عبوری از روی کویل‌ها را خنک می‌کند. نتیجه دوم نیز این است که با توجه به اینکه سیال خنک کننده موجود در کویل، معمولا در دمای پایین‌تری نسبت به دمای اشباع هوا قرار دارد، رطوبت موجود در هوا، روی کویل تقطیر می‌شود و در نتیجه رطوبت هوا گرفته می‌شود.

فرایندی که در بالا توضیح داده شد، باعث کاهش آنتالپی یا گرمای مخلوط هوا می‌شود و آنتالپی آب سرد یا مبرد موجود در کویل را افزایش می‌دهد. بنابراین در یک بخش دیگر این سیستم، این گرمای داده شده به آب سرد یا مبرد باید حذف شود و خنک‌کاری آب سرد یا مبرد انجام شود. در این حالت می‌توان دوباره از آب سرد یا مبرد در کویل خنک کننده استفاده کرد.

مقدار رطوبت حذف شده از هوا به تعداد زیادی فاکتور بستگی دارد. از جمله این فاکتورها می‌توان به دمای سیال خنک کننده، عمق کویل و تعداد ردیف لوله آن، تخت یا برجسته بودن فین‌ها و سرعت جریان هوا در عرض کویل اشاره کرد.

شکل زیر مثالی از فرایند توضیح داده شده را به تصویر کشیده است:

همانطور که در شکل بالا مشاهده می‌شود، در ابتدا هوای گرم و مرطوب با دمای 80 درجه فارنهایت و رطوبت نسبی 50%به داخل ساختمان وارد می‌شود و از کویل‌های خنک کننده عبور می‌کند. در این فرایند، هوا تا دمای 57 درجه فارنهایت خنک می‌شود. هنگامی که میعان بخار آب موجود در هوا، روی کویل انجام می‌شود، گرمای نهان آن کاهش می‌یابد و این مقدار گرما به سیال خنک کننده منتقل می‌شود.

نکته مهمی که با توجه به شکل بالا می‌توان به آن رسید این است که مقدار آنتالپی مورد نیاز برای حذف رطوبت از هوا در فرایند A-B برابر با یک سوم مقدار آنتالپی مورد نیاز برای سرد کردن هوا در فرایند B-C است.

مطالبی که در بالا ذکر شد، یک معرفی از مفاهیم و شیوه استفاده از نمودار سایکرومتریک است. در ادامه شکلی از نمودار رایج سایکرومتریک آورده شده است. این نمودار در نگاه اول، نمودار پیچیده‌ای به نظر می‌رسد ولی در این مطلب انواع روش‌های استفاده از این نمودار معرفی شده است و برای بررسی بهتر به  چند نکته نیز دقت کنید.

• هوای داخل، به صورت ترکیبی از هوای خشک و بخار آب است.
• مقدار مشخصی از انرژی کل که به آن آنتالپی می‌گویند درون مخلوط وجود دارد که این مقدار آنتالپی به دما، فشار و مقدار رطوبت بستگی دارد.
• در هر دمای خاص، محدودیت خاصی نیز برای مقدار بخار آب موجود در مخلوط هوا وجود دارد.

با مطالعه این مطلب شما به درک درستی از ارتباط میان پارامترهای مختلف مانند هوای خشک، رطوبت و انرژی در یک فشار خاص دست پیدا کردید. نکته دیگر این است که در یک سیستم تهویه مطبوع ممکن است که هرکدام از هفت فرایندی که در بالا توضیح داده شد، مورد استفاده قرار بگیرد. این هفت فرایند شامل، گرمایش، سرمایش، رطوبت گیری، رطوبت زنی، تهویه، پاک‌سازی و جابه‌جایی هوا است.